炉边夜话:量子力学发展史(一个人,一次决定,和一场变革)

在量子力学的发展史中,曾经出现过这样一个人,他的出现解开了人类对当前物理学术的“两朵乌云”中黑体辐射的疑惑。同时又开辟了物理学发展的新纪元。

炉边夜话:量子力学发展史(一个人,一次决定,和一场变革)

1858 年 4 月 23 日,著名法律教授 J.W.普朗克和他的夫人 E.P.普朗克的第六个孩子马克斯出生了。这是一个远近闻名的书香门第。马克思.普朗克的曾祖父就是一名神学教授,祖父更是继承了家族的衣钵,而他的父亲则是一名法学教授。小普朗克的母亲是一名音乐爱好者。在这样的家庭环境下,普朗克从小就深受高雅艺术的熏陶。

不知从哪一天起,每天下午,普朗克的家中总会传出美妙的琴声,过往的人都会驻耳倾听,大家深知普朗克夫人是一个绝好的演奏家。然而就在一次下午的聚会中,有人羡慕的谈及此事。此时的普朗克夫人先是一愣,随后笑了起来。说道:“你们都知道,我是从来不在下午弹琴的。”众人更加疑惑,就在此时小普朗克坐在琴凳上开始演奏起来,众人恍然大悟。“那么,为什么夫人的孩子从来没有练习,却突然弹得那么好?”细心的访客问道。普朗克夫人将事情的原因简单解释之后,大家立刻释然。原来,母亲为了让小普朗克练琴不至于打扰到周围,让他在木板上练手,等到练好之后,再回到钢琴上演奏。练过钢琴的人想必都知道,如果没有一架好的琴是很难发挥出演奏者的真实水平的。但好在年幼的普朗克非常努力,从不畏难。

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少年的普朗克

1867年,完成了小学教育的马克思.普朗克,随父亲举家迁到了慕尼黑。并考入古典皇家马克西米连大学预科学校。与其说,母亲给与普朗克的是无与伦比的音乐天赋,那么赫尔曼.米勒尔就是马克斯在科学道路的引路人。米勒尔鼓励马克斯学好数学,同时还教他天文学、力学。米勒尔激发起他寻找科学奥秘的强烈愿望。

1874 年,马克斯·普朗克以优异的成绩于预科学校毕业,并准备上大学。就像我们的高中时代,高考结束后选专业选大学一样。此时的普朗克也为这事而烦恼,到底学什么好呢?要知道,在当时的社会环境下,从事自然科学是为人所不屑的,因为19世纪,以牛顿为主的经典物理学已经走到了巅峰,很多人认为,自然科学的发展已经到头了。转而对文学和社会科学有着很高的认同,认为这才是一门高深的学问。

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就在这一天,少年的普朗克来到父亲身边,想要找到答案。他告诉父亲:“今天我见科林了。”科林是他父亲从事音乐的挚友。“科林认为我不适合从事音乐事业。”他接着说道:“虽然我喜欢文学,但是同学们认为我写的剧本缺乏技巧和热情。”听着普朗克看似喃喃自语的话语,父亲似乎看出了普朗克的心思。“那么米勒尔老师是怎么说的呢?你自己又有什么想法?”父亲说道。由于当时轻视自然科学的风气,普朗克的父亲自然知道,让孩子走向从事自然科学之路是一件非常艰辛的事,“马克斯,我一直在听你说,我在等着听你自己的想法。而事实上你始终在转述别人的意见,马克斯,你的意见在哪里?要知道,你的选择关系着的是你的一生,和别人没有任何关系。如果你老是斤斤计较别人的想法,那么你不妨问一下自己,你打算为谁活这一辈子?”父亲接着铿锵有力的说道。这一句话如同当头棒喝,年少的普朗克决定不去在乎别人的眼光,学习数学专业。殊不知,这一选择不仅改变的他的命运,也同时改变了物理学发展的走向。

在学习数学的过程中,普朗克由于机缘巧合接触了物理,并对这个当时认为是完美的学科产生了浓厚的兴趣。手不释卷的他,却得了重病,病中的他依然没有忘记学习。通过学习他深知当时有名的物理学家都在德国。最终的他申请转入柏林大学。1879 年,21 岁的马克斯·普朗克以论文《论机械热学第二定律》获得了哲学博士学位。成功的普朗克回到慕尼黑,成为一名慕尼黑大学讲师。并在40 年的教学生涯中,培养了 20 名哲学博士,其中许多人成了很有成就的物理学家,其中 劳厄 ( Laue)与玻特 ( Bathe)获得了诺贝尔奖。

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1900 年 10 月 19 日,库尔鲍姆向柏林物理学会报告了有关于黑体辐射的实验。而维恩与瑞利.金丝提出的拟合公式似乎不能给出更好的结果。于是普朗克决定提出一个新的辐射普适公式,在他的传记中,普朗克曾提到,证明这个公式是他一生中最繁重的工作。终于在一个“宾果”的时刻,普朗克觉得既然维恩与瑞利.金丝的公式分别适用于低频与高频的辐射过程,那么为什么不把这两个公式揉到一起先构造出来,至于为什么最后讨论不迟。随后的普朗克经过大量比对,终于得到了一个满意的答案。然而这个公式却意外的说明能量并不是连续的,而是一份份的输出。这显然与经典物理相互违背。这一份份的能量最小单元被他称作“基本作用量子”或“作用单元”,是个常数。这个发现无疑是革命性的,它将传统能量的概念,转变成了一个一个的量子,并为后面的工作打下基础。今天,通常称这个常数为普朗克常数,正是为了纪念这位为量子科学做出贡献的科学家。

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时代的车轮总是不断向前,今天的我们回顾历史,或许爱因斯坦,霍金,已经成为家喻户晓的人物。但当我们抹去厚厚的尘土,翻开历史档案的同时,才会发现更多的故事,更有趣的人,和更多的感动。


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